Opbygning af enkeltatom-qubits under et mikroskop

Vores team hos IBM Research gjorde et gennembrud med hensyn til at kontrollere individuelle atomers kvanteadfærd, demonstrerer en alsidig ny byggesten til kvanteberegning.

I avisen, "Kohærent spin-manipulation af individuelle atomer på en overflade, " offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , vores team demonstrerede brugen af ​​enkelte atomer som qubits til kvanteinformationsbehandling. Kvantebits, eller qubits, er de grundlæggende byggesten i en kvantecomputers evne til at behandle information.

Dette er første gang, et enkelt-atom qubit er blevet opnået ved hjælp af et Scanning Tunneling Microscope (STM), den nobelprisvindende IBM-opfindelse, der gør det muligt at se og flytte atomer individuelt. Dette er et vigtigt gennembrud, fordi STM kan afbilde og placere hver atomare qubit for præcist at kontrollere arrangementet af nærliggende qubit-atomer. Mikroskopet virker ved at scanne den ultraskarpe nålespids nær en overflade for at fornemme arrangementet af individuelle atomer, og nålespidsen kan trække eller bære atomer i ønskede arrangementer.

Et kvantespring fra atombit til qubit

Den grundlæggende enhed af information i vores nuværende computere er lidt. En bit kan kun have én af to værdier:nul eller én. Kvantefætteren til bit er en qubit, som driver en kvantecomputer. Ud over at have værdier nul og én, en qubit kan også være i en kombination af nul og en samtidigt. Denne form for tilstand – dels nul og dels én – kaldes en superpositionstilstand. Sådanne tilstande er et grundlæggende kendetegn ved kvantemekanik, som har været kendt i årtier og først for nylig er blevet taget i brug i rigtige kvantecomputere.

I vores eksperimenter, vi bruger en kvanteegenskab for et titaniumatom kaldet "spin" til at repræsentere en qubit. Spin-egenskaben gør hver titanium magnetisk, så den opfører sig som en lille kompasnål. Som en magnet på et køleskab, hvert titaniumatom har en nord- og sydmagnetisk pol. De to magnetiske orienteringer definerer nul eller en af ​​en qubit. Vi placerede titanium atomet på en specielt valgt overflade, et ultratyndt lag magnesiumoxid, at beskytte sin magnetisme og lade den vise sin kvantepersonlighed frem.

At lære et titanium atom at danse

Så, hvordan kan vi lokke et titaniumatom til en valgt kvantesuperpositionstilstand? Svaret er at anvende højfrekvente radiobølger, kaldet mikrobølger, til atomet. Disse mikrobølger, der kommer fra mikroskopets spids, styre atomets magnetiske retning. Når den er indstillet til den rigtige frekvens, disse mikrobølger får titaniumatomet til at udføre en "kvantedans, " som vist i figuren nedenfor. Atomet holder stille på overfladen, men dens magnetiske nordpol går hurtigt rundt, ender i den ønskede retning. denne dans, kaldet "Rabi oscillation, "er ekstremt hurtig, det tager kun omkring 20 nanosekunder at vende qubitten rundt, fra at pege op til "0, " til at pege ned på en eller tilbage igen. Ved slutningen af ​​dansen, atomet peger på en designet retning - et nul eller et eller en superposition, der ligger imellem - afhængigt af hvor længe vi anvender radiobølgerne. Det tekniske udtryk for denne nøgleteknik er pulseret elektronspinresonans, og det kan skabe enhver superpositionstilstand, vi ønsker. Vi kontrollerer og observerer disse spin-rotationer ved hjælp af STM'ens ekstreme følsomhed.

Disse enkeltatom-qubits er ekstremt følsomme over for magnetiske felter, så de kan også bruges som kvantesensorer til at måle den subtile magnetisme af nærliggende atomer. Vi brugte denne følsomhed til at få qubits til at interagere – eller vikle sig ind – med hinanden og lave en to-qubit enhed. Dette er et kritisk skridt mod forståelsen af, hvordan man kan opnå det ultimative mål med at få mange qubits til at interagere, så vi kan drage fordel af kvantehastigheden i processorkraften i forhold til konventionelle computere.

For at bygge en to-qubit enhed, vi bruger vores mikroskop til at se og bogstaveligt talt røre individuelle titanium atomer, skubbe dem præcist ind i ønskede atompositioner. Dette giver os mulighed for at bygge konstruerede strukturer bestående af to atomer med præcist udvalgte mellemrum, som vist i nedenstående figur.

Når vi sætter to køleskabsmagneter sammen, de enten tiltrækker eller frastøder afhængigt af, hvordan de holdes. Lignende fysik gælder for de to titanium atomer på denne overflade, og den lille magnetiske kraft mellem dem justerer dem, så de peger i modsatte retninger. Den tekniske betegnelse for denne magnetiske kraft mellem de to atomer er kvanteudvekslingsinteraktionen.

På grund af denne kvanteinteraktion, de to qubits kan danne en tilstand med kvantesammenfiltring. Entangled states er kvantemønstre, hvor tilstanden af ​​en qubit er direkte relateret til tilstanden af ​​en anden - så sammenflettet, at det teknisk set ikke er muligt at beskrive tilstanden af ​​et atom uden at beskrive det andet på samme tid. Denne egenskab ved sammenfiltring er nøglen til kraften ved kvanteberegning. Vi er i stand til at kontrollere egenskaberne af denne sammenfiltring ved at justere afstanden mellem atomerne, og ved at vælge varigheden og frekvensen af ​​de radiobølger, der styrer dem.

Styring af kvantesuperposition og sammenfiltring gennem pulseret spinresonans er blot to eksempler på, hvad vi nu kan studere. For eksempel, efterhånden som vi sammenfiltrer flere atomer, vi kunne teste teorier om, hvad der forårsager kvantedekohærens - hvor og hvordan opstår det? Hvordan kan det reduceres? Kemikere kunne teste design af magnetiske molekyler og kunstige kvantematerialer. Dette gennembrud med at bruge pulseret spinresonans på arrangementer af atomer giver os en analog kvantesimulator til at teste et væld af kvantemagnetiske egenskaber, der kan føre til nye computerteknikker.